Silniki prądu stałego

Różne rodzaje silników prądu stałego

Istnieją dwa rodzaje siłowników, do których należą silniki:

• siłowniki liniowe,
• siłowniki obrotowe.

Siłownik liniowy generuje ruch liniowy — ruch wzdłuż jednej prostej. Tego typu siłowniki przydają się robotom do wykonywania pewnych zadań, ale nie będziemy ich opisywać w tej książce. Siłowniki obrotowe zaś przekształcają energię elektryczną na ruch obrotowy. Mianem siłowników obrotowych określa się wiele różnych silników, a siłowniki tego typu są charakteryzowane
przez dwa główne parametry: moment obrotowy i prędkość obrotową. Moment obrotowy jest siłą, którą silnik może wygenerować przy określonym przesunięciu, a prędkość obrotowa określa, jak szybko wał silnika obraca się wokół własnej osi, i jest wyrażona w liczbie obrotów w danej jednostce czasu. Silniki charakteryzuje siła, którą mogą wygenerować, i prędkość obrotowa, którą
mogą osiągnąć. W dalszej części tego rozdziału opiszemy następujące rodzaje silników:

• silnik prądu stałego,
• serwomotor,
• silnik przekładniowy prądu stałego.

Wszystkie wymienione silniki są różnymi rodzajami silników prądu stałego. Serwomotor jest tak naprawdę silnikiem prądu stałego wyposażonym w przekładnię zębatą.

Silniki prądu stałego

Silniki prądu stałego i serwomotory umożliwiają robotom wykonywanie czynności takich jak chodzenie na dwóch nogach, toczenie się na kołach, a także podnoszenie i manipulowanie różnymi przedmiotami (jeżeli robot jest wyposażony w chwytaki). Kiedy stosuje się standardowe silniki prądu stałego, a kiedy serwomotory? Czym się one różnią? Silniki prądu stałego mogą mieć różne kształty i rozmiary, ale najczęściej ich obudowy mają kształt walca. Na rysunku 7.2 możesz zobaczyć silnik prądu stałego.

Rysunek 7.2. Silnik prądu stałego i jego wał napędowy

Prąd stały (oznaczany angielskim akronimem DC) umożliwia silnikowi ciągłą pracę — wykonywanie setek, a nawet dziesiątek tysięcy obrotów na minutę. Silniki prądu stałego są wyposażone w dwa złącza (kable) — po przyłożeniu potencjału masy do jednego z nich i stałego napięcia do drugiego silnik zaczyna obracać się w określonym kierunku. Po odwrotnym przyłożeniu potencjałów
do złączy silnika jego wał będzie obracał się w kierunku przeciwnym. Odwrócenie polaryzacji złączy powoduje odwrócenie kierunku obrotów wału silnika. Zmiana natężenia prądu płynącego przez silnik wpływa na jego prędkość obrotową.

Silniki prądu stałego mogą być silnikami szczotkowymi lub bezszczotkowymi. Silnik szczotkowy składa się z twornika, komutatora, szczotek, wału i magnesu wzbudzającego. Twornik, który w przypadku silnika szczotkowego wchodzi w skład rotora, jest elektromagnesem, a magnes wzbudzający jest magnesem stałym. Komutator wygląda jak rozdzielony pierścień nasadzony na oś. Element ten styka się ze szczotkami, które są połączone z przeciwnymi biegunami źródła prądu. Rysunek 7.3 przedstawia części szczotkowego silnika prądu stałego i sposób jego pracy. 

Szczotki ładują komutator ładunkiem o odwrotnej polaryzacji niż magnes stały, dzięki czemu twornik się obraca. Kierunek ruchu obrotowego twornika zależy od polaryzacji szczotek (podłączając silnik do akumulatora w sposób odwrotny, sprawimy, że jego wał będzie obracał się w przeciwnym kierunku). Proces obracania twornika trwa, dopóki silnik jest zasilany.

Bezszczotkowy silnik prądu stałego jest wyposażony w przynajmniej cztery magnesy stałe zamontowane krzyżowo wokół obrzeży rotora. Magnesy są zamontowane na rotorze, a więc nie wymaga on stosowania elementów połączeniowych takich jak komutator i szczotki. Zamiast tych elementów silnik bezszczotkowy ma układ sterujący, który zawiera enkoder określający położenie rotora.
Schemat silnika bezszczotkowego został pokazany na rysunku 7.4.

Rysunek 7.3. Elementy szczotkowego silnika prądu stałego i ruch obrotowy wału tego silnika

Rysunek 7.4. Elementy bezszczotkowego silnika prądu stałego i ruch obrotowy wału tego silnika

W wielu przypadkach możliwe jest wymienne korzystanie z silników szczotkowych i bezszczotkowych. Rozwiązania te mają swoje wady i zalety. Silniki szczotkowe są tańsze i bardziej niezawodne. Silniki bezszczotkowe są z kolei dość dokładne i dobrze nadają się do zadań związanych z pozycjonowaniem. W tabeli 7.1 wymieniliśmy wady i zalety obu rozwiązań.

Tabela 7.1. Wady i zalety silników szczotkowych i bezszczotkowych zasilanych prądem stałym

Moment obrotowy i prędkość obrotowa

Silniki zamontowane w robocie wymagają sterowania. Muszą być uruchamiane i zatrzymywane, a ich prędkość obrotowa musi być dopasowywana do aktualnych potrzeb. Sterowanie prędkością obrotową silnika prądu stałego jest bardzo proste — wystarczy do tego regulacja napięcia prądu zasilającego silnik. Im wyższe to napięcie, tym większą prędkość może osiągnąć silnik. Napięcie,
a więc prędkość obrotowa silników, może być określane za pomocą techniki modulacji czasu trwania impulsu (PWM). Technika ta polega na sterowaniu mocą silnika poprzez modulowanie napięcia zasilającego go prądu — jego naprzemienne włączanie i wyłączanie. Prędkość obrotowa silnika zależy od stosunku czasu, w którym silnik jest zasilany, i czasu, w którym napięcie wynosi
0 V. Stosunek ten określamy mianem cyklu roboczego. Naprzemienne włączanie i wyłączanie napięcia odbywa się tak szybko, że wydaje się, iż silnik po prostu łagodnie zwalnia. Korzystanie z tego rozwiązania powoduje nie tylko spadek prędkości obrotowej silnika, ale również proporcjonalny spadek generowanego momentu obrotowego. Moment obrotowy i prędkość są wielkościami
odwrotnie proporcjonalnymi — wzrost prędkości obrotowej wiąże się ze spadkiem momentu obrotowego, a wzrost momentu obrotowego powoduje spadek prędkości. Na rysunku 7.5 pokazaliśmy zależność między momentem obrotowym, mocą i prędkością pracy silnika.

Rysunek 7.5. Zależność pomiędzy momentem obrotowym, prędkością obrotową i mocą

Moment obrotowy jest siłą kątową, którą generuje obracający się wał silnika. Może być on mierzony w następujących jednostkach:

• niutonometry (Nm),
• gramocentymetry(gcm).

Moment obrotowy nie przyjmuje stałej wartości — ulega zmianie w zależności od warunków pracy silnika, a także sposobu pomiaru. W chwili zatrzymania silnika jego moment obrotowy jest najwyższy. Oznacza to, że największy moment obrotowy jest używany podczas rozruchu silnika. Moment pełnego obciążenia określa wielkość momentu obrotowego niezbędnego do wygenerowania mocy znamionowej po osiągnięciu pełnej prędkości obrotowej silnika. Moment obrotowy przy rozruchu silnika jest zwykle wyższy od momentu pełnego obciążenia. Czasami parametry te można znaleźć w dokumentacji silnika. Niektórzy producenci podają jednak inne parametry, a w takim przypadku musisz obliczyć moment zatrzymania i moment pełnego obciążenia, korzystając z następujących wzorów:

Moc jest wyrażona w watach. Moment obrotowy przy zatrzymaniu można obliczyć za pomocą następującego wzoru:

Prędkość obrotowa bez obciążenia określa maksymalną prędkość, do jakiej rozpędza się wał silnika bez żadnego obciążenia. Znamionowy moment obrotowy jest wartością pośrednią — jest to maksymalna wartość momentu obrotowego zapewniająca ciągłość pracy silnika pomiędzy zatrzymaniem a pracą przy maksymalnej prędkości obrotowej. Znamionowy moment obrotowy
przyjmuje wartość zbliżoną do połowy momentu zatrzymania. Moment rozpoczęcia pracy określa ilość siły niezbędną do wykonania przez robota jakiegoś zadania — powinien on wynosić od 20 do 30% maksymalnego momentu obrotowego generowanego przez silnik. Na rysunku 7.6 znajduje się wykres zależności momentu obrotowego i prędkości obrotowej.

Rysunek 7.6. Moment obrotowy przy zatrzymaniu, pełnej prędkości obrotowej i osiągnięciu wartości znamionowej

Silniki z przekładniami

Innym sposobem na zmniejszenie prędkości obrotowej silnika bez obniżenia napięcia, a tym samym bez obniżenia momentu obrotowego, jest zastosowanie przekładni. Silnik może obracać się z wysoką prędkością, ale generowany przezeń moment obrotowy może być zbyt niski, aby poruszyć nawet niewielkie obciążenie. Przekładnie i mechanizmy przekładniowe obniżają prędkość obrotową wału napędowego. Dzięki temu rozwiązaniu zwiększa się moment obrotowy. Prędkość obrotowa może być zwiększona lub zmniejszona w celu uzyskania określonej wartości momentu obrotowego. Przekładnie umożliwiają również:

• zmianę kierunku obrotów,
• zmianę płaszczyzny obrotów,
• konwersję ruchu obrotowego na ruch liniowy,
• przeniesienie ruchu obrotowego w inne miejsce.

Programowanie robotów. Sterowanie pracą robotów autonomicznych Autorzy: Cameron Hughes, Tracey Hughes Wydawnictwo: Helion